自來水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用

徐新生， 陳黎華， 劉彩娥

(常州市金壇自來水有限公司， 江蘇 常州 213200)

城市的快速發(fā)展對(duì)自來水供水水質(zhì)和效率提出了更高、更新的要求，傳統(tǒng)的自來水廠控制方式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)需求，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)勢(shì)在必行。這就要求水廠進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，提升自動(dòng)化管理水平，提高工作效率，降低生產(chǎn)成本。

1 水廠概況

長蕩湖水廠隸屬于常州市金壇自來水有限公司，地處金壇區(qū)長蕩湖北側(cè)錢家村附近，總占地面積為166 483.8 m2，綠化面積為49 944.9×104m3/d，一期供水規(guī)模為20×104m3/d，采用新孟河及長蕩湖雙水源供水，主要承擔(dān)金壇區(qū)的供水任務(wù)。2018年7月，長蕩湖水廠正式投產(chǎn)運(yùn)營，常州市金壇區(qū)供水行業(yè)邁入了區(qū)域化、市場(chǎng)化、專業(yè)化運(yùn)作的新階段。

金壇區(qū)采用以長蕩湖為主要供水水源、與常金供水互為備用聯(lián)網(wǎng)供水的新供水布局。長蕩湖水廠是金壇區(qū)正在運(yùn)行的唯一使用長蕩湖水制水的水廠。根據(jù)長期的監(jiān)測(cè)，長蕩湖水基本屬于III類水質(zhì)，常年較為穩(wěn)定。針對(duì)原水氮、磷偶爾超標(biāo)的情況，該水廠采用常規(guī)處理+臭氧活性炭深度處理工藝。長蕩湖水廠常規(guī)制水工藝流程主要包括沉淀池、砂濾池、炭濾池、清水池、吸水井、臭氧制配間、泵房泥處理等，如圖1所示。

圖1 水廠工藝流程

2 水廠供水控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

PLC是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)為一體且可編程的自動(dòng)控制系統(tǒng)，安全可靠,操作簡單，在各行各業(yè)中的應(yīng)用十分廣泛[1-2]。在水廠應(yīng)用PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)，可使各個(gè)水處理操作環(huán)節(jié)更加精確化，提高了供水質(zhì)量和生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)了水廠的現(xiàn)代化管理，并給企業(yè)帶來十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益[3]。

長蕩湖水廠制水和供水自動(dòng)控制系統(tǒng)采用ABB系列PLC，性能穩(wěn)定,可擴(kuò)展性強(qiáng)，通過工業(yè)總線實(shí)現(xiàn)各個(gè)工藝點(diǎn)的數(shù)據(jù)互通。根據(jù)制水工藝流程，主要包括以下功能模塊。

① 中控室總工藝監(jiān)控平臺(tái)：以人機(jī)界面顯示水廠整體工藝流程，操作人員可將畫面直觀對(duì)應(yīng)實(shí)際的生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)，監(jiān)控生產(chǎn)運(yùn)行。

② 取水泵房+沉淀池工藝監(jiān)控：對(duì)取水泵房實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，將長蕩湖水引入沉淀池，對(duì)取水泵房和沉淀池進(jìn)行詳細(xì)工藝環(huán)節(jié)顯示，包括泵閥啟停狀態(tài)、濾前水質(zhì)數(shù)據(jù)、濾后水質(zhì)數(shù)據(jù)等。

③ 加藥系統(tǒng)+臭氧系統(tǒng)工藝監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)臭氧投加量和氯氣投加量的全程監(jiān)控，確保投加量準(zhǔn)確、適宜。

④ 炭濾池系統(tǒng)+砂濾池系統(tǒng)+泥水處理工藝監(jiān)控。

⑤ 沖洗泵房+送水泵房工藝監(jiān)控，圖形化顯示和監(jiān)控出水泵房設(shè)備、生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)。

⑥ 配電系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)水廠高低壓配電設(shè)備的運(yùn)行狀況，例如電壓、電流、功率、溫度等。

⑦ 警戒報(bào)警信息，提供對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行過程中各種越界信號(hào)的報(bào)警提示和顯示，并通過醒目的文字、色塊顯示，在泵站或設(shè)備運(yùn)行恢復(fù)正常時(shí)會(huì)自動(dòng)消除。水廠自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)中，總工藝頁面如圖2所示。

圖2 水廠工藝流程監(jiān)控頁面

3 關(guān)鍵工藝自動(dòng)控制設(shè)計(jì)

合理的加氯量對(duì)控制水廠出水水質(zhì)和水廠成本都有重要意義[4]。長蕩湖水廠加氯工藝包含3個(gè)部分，即前加氯、后加氯和補(bǔ)加氯。前加氯在原水進(jìn)入沉淀池之前進(jìn)行，加氯量不大，但在使用活性炭作為凈化工藝時(shí)，通常不進(jìn)行前加氯；濾后水進(jìn)入清水庫中進(jìn)行后加氯，起到殺菌消毒的作用；出廠水從清水庫進(jìn)入管網(wǎng)時(shí)監(jiān)測(cè)余氯，若含量不達(dá)標(biāo)則補(bǔ)加氯。

3.1 氯氣投加量的控制設(shè)計(jì)

氯消毒是水廠生產(chǎn)過程中一道重要的工序，目前，常用的氯氣投加主要有人工控制投加(見圖3)和自動(dòng)控制投加兩種模式。

圖3 人工控制加氯流程

首先，操作人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定投加初始量，含氯水進(jìn)入清水池并停留一段時(shí)間后經(jīng)二泵房出廠。同時(shí)在清水池出口處安裝余氯儀，操作人員根據(jù)其讀數(shù)與期望值的偏差手工操作加氯機(jī)，調(diào)整氯氣的投加量。人工控制投加在一定程度上有助于水廠生產(chǎn)合格的出廠水，但因其投加量完全取決于操作人員的經(jīng)驗(yàn)，數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，穩(wěn)定性較差，不利于水廠的長時(shí)間運(yùn)行。充分利用工業(yè)計(jì)算機(jī)技術(shù)而開發(fā)的自動(dòng)控制投加模擬便應(yīng)運(yùn)而生。目前，手動(dòng)控制模式一般處于備用狀態(tài)，在自動(dòng)模式出現(xiàn)問題時(shí)采用。

長蕩湖水廠通過引進(jìn)ABB系列PLC控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)加氯間各種設(shè)備信號(hào)的集中控制，并增加了漏氯報(bào)警、高溫報(bào)警、低溫報(bào)警、低水位報(bào)警等安全措施，使生產(chǎn)安全和效率得到了較大的提高。

為了使計(jì)量泵加氯更加精準(zhǔn)，減輕人員工作量，采用遠(yuǎn)程操控和自動(dòng)控制加藥方式進(jìn)行加氯控制，利用式(1)得出加藥量：

QS=Q×F×K

(1)

其中：QS——加藥量，mg；

Q——流量，m3/h；

F——加藥量，2.5～3.5 mg/L；

K——調(diào)節(jié)流量變化引起的每升水加藥量的變化系數(shù)。

計(jì)算所需加入的氯氣含量后，通過 PLC 控制計(jì)量泵的工作頻率，使實(shí)際加藥量與理論加藥量的絕對(duì)值始終保持在一個(gè)固定的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)精確加藥。

3.2 氯氣投加量的影響因素分析

3.2.1 接觸時(shí)間

應(yīng)保證消毒劑與水中雜質(zhì)和微生物有一定的反應(yīng)時(shí)間。

3.2.2 加氯量

除滿足水消毒時(shí)需要的余氯外，應(yīng)保持一定的余氯以維持殺菌的效果。一般要求接觸30 min后，自由性余氯≥0.3 mg/L。

3.2.3 濁度

濁度越高，消毒效果越差，加氯量也應(yīng)相應(yīng)增加。

3.2.4 水溫

對(duì)自由性氯消毒影響不大，但對(duì)于氯胺消毒，提高水溫能加速殺菌。

3.2.5 pH

pH值較低時(shí)，OCl-的含量較高，消毒效果較好；pH值越大，加氯消毒效果越差。

3.3 氯氣投加問題與處理

3.3.1 管道防腐

氯氣具有腐蝕性，為了防止腐蝕滲漏，宜采用UPVC化工管路或不銹鋼管路，尤其是對(duì)于法蘭和絲扣連接。

3.3.2 管道結(jié)晶堵塞

氯氣長時(shí)間溶于水易產(chǎn)生堿結(jié)垢，會(huì)逐漸縮小管徑，影響投加量。對(duì)此，應(yīng)安裝疏通孔，定期疏通。

3.3.3 氯瓶安全監(jiān)測(cè)

每天需到氯瓶間、蒸發(fā)皿室、加氯間檢查各設(shè)備是否正常。檢查氯瓶出口壓力值，當(dāng)氯瓶低于600 kg時(shí)，需密切注意瓶內(nèi)液氯含量和出口壓力，確保壓力值不低于1 bar。每組氯瓶使用完畢后應(yīng)盡快更換。

4 結(jié)語

自來水生產(chǎn)具有連續(xù)性、非替代性、不間斷性，這就要求自動(dòng)化控制系統(tǒng)具有較高的可靠性、高速性和穩(wěn)定性。因此，不斷加強(qiáng)對(duì)水廠的自動(dòng)化控制水平，借助PLC控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)等實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)與供水的自動(dòng)控制，尤其是次氯酸鈉的自動(dòng)投加系統(tǒng)，可以有效解決供水中面臨的諸多問題，對(duì)于提高水廠的生產(chǎn)效率,提升出水水質(zhì)，降低資金投入具有重要意義。